电厂燃煤锅炉烟气余热回收的优化利用

张俊涛

摘要：在我国现役火电机组中，排烟热损失是电站锅炉各项热损失中最大的一项，一般为5%，～8%，，占锅炉总热损失的80%，或更高。影响排烟热损失的最主要因素是锅炉排烟温度，而目前我国火电机组锅炉排烟温度偏高是一个普遍现象，一般维持在110～150，℃.通常情况下，排烟温度每升高10，℃，排烟热损失增加0.6%，～1.0%，若以燃用热值为20，MJ/kg煤的410，t/h高压锅炉为例，则每年多消耗近万吨动力用煤。本文浅析电厂燃煤锅炉烟气余热回收的优化利用。

關键词：低温省煤器；布置形式；排烟温度

中图分类号：TM621.2 文献标识码：A 文章编号：1672-9129（2017）12-0077-02

Absrtact： in China， the heat loss of exhaust smoke is the biggest of all kinds of heat loss of power plant boilers， which is usually 5% or more， accounting for 80% or higher of the total heat loss of boilers. The main factor affecting the heat loss of exhaust gas is boiler exhaust gas temperature. At present， it is a common phenomenon that the boiler exhaust gas temperature of thermal power units in China is on the high side， which is generally maintained at 110 ～ 150 ℃. Normally， for every 10 ℃ rise in exhaust gas temperature， the heat loss of exhaust smoke increases 0.6% and 1.0%. If the 410 t / h high-pressure boiler burning 20 MJ / kg coal is used as an example， it will consume nearly 10，000 tons more each year. Power coal This paper analyzes the optimal utilization of waste heat recovery of flue gas from coal-fired boiler in power plant.

Keywords： low temperature economizer； layout form； smoke exhaust temperature

引言

虽然利用传统的换热器方法进行余热回收取得了较大的成果，但是对于排烟温度较低的低温余热回收系统，往往由于传热系数不高（一般低于2800W/（M2k），且温差较小，故需要布置较大的换热面积，使得换热效率较低，余热回收尚不充分。人们进一步研究发现，一些半导体材料具有较好的温差发电能力，例如23BiTe类材料、PbTe类材料、SiGe合金类等材料。利用这些半导体材料的热电特性制成的温差发电装置可以在温差存在时直接将热能转化为电能，从而在传统换热器的基础上进行优化利用.综上所述，若能够充分利用温差发电技术回收工业低温余热，并能产生可观的电能输出，那么针对该应用的研究将会有很大价值。此外，由于我国能源十分紧缺，能源利用率相对较低，节能降耗也是进行可持续发展的必由之路。

1 烟气余热利用提效节能系统改造方案

采用烟气余热利用节能提效系统，是在除尘器入口处加装烟气余热利用装置，以降低除尘器入口烟温，提高除尘器比集尘面积，降低烟尘比电阻，减少除尘器入口烟气量，提高除尘器效率，达到提高除尘器效率与节能的目的。该系统由“烟气余热利用装置+电除尘器组成。其中，烟气余热利用提效节能装置安装在空预器之后，并复合在电除尘器的入口端.

2 余热回收系统分析

2.1余热回收系统的技术分析

本文中，余热回收的优化利用了温差发电技术，该技术基于1821年德国人塞贝克所发现的塞贝克效应而产生。他发现在两种不同导电材料结点（PN节）处有不同的温度会产生一个温差电动势。该电动势的大小与导电材料冷热端温度之间有如下关系：

（1）

式中： 为两种半导体材料的相对塞贝克系数；Th和Tc分别为高温端和低温端温度，℃。由于单独的PN节只能产生很小的电动势，一般需要将许多这样的PN节通过串联的方式组合起来构成一个温差发电片.温差发电片向外输出的最大功率与其冷热端温差满足二次关系，即

（2）

式中：r为温差发电片的内阻.温差发电片的最大电能转换效率与它的高温端与低温端温度有关：

（3）

式中Z为温差发电片的优值系数。为了获得温差发电片的性能参数，可利用图1中的实验台进行测试。通过合适地调整实验台的运行状况，分析温差发电片在电厂运行工况范围内的工作性能。该实验台主要由以下几部分组成：烟道主体、加热炉、发电组块、测量装置、风扇、冷却水箱、循环水泵及循环管路。实验中，选用蜂窝煤为燃料，烟道模型主体由铝制成，四周以串联方式各布置4片40mmX40mm规格的温差发电片，并且在烟道每面的温差发电片的热端和冷端分别安装一个热电偶，共计8个。进行数据处理时，温差发电片冷热端温度以热电偶的平均值为准。实验装置采用循环水冷却的方式控制温差发电片冷端的温度维持在20，℃左右。同时，在烟道底部设计一个冷空气入口，在该入口处加装可调节功率的风扇用于控制烟气温度从而调节温差发电片热端温度。待系统维持稳定后，记录当前工况下温差发电片的开路电压和短路电流的实验数据，并利用式（2）计算当前工况条件下的最大输出功率。该实验测量了烟气温度从100，℃变化到160，℃条件下的工况。根据实验结果，利用最小二乘法进行回归，从而得到数据所满足的函数关系，结果示于图2。利用该回归结果可得到冷热面温差介于70，℃至140，℃之间任意位置时的温差电动势和最大发电功率，为后续余热回收的优化分析提供基础。

2.2余热回收系统的应用分析

在了解温差发电片的性能参数的基础上，本节考虑将温差发电技术应用于电厂烟气余热回收利用.通过了解研究对象电厂系统的运行参数，简化研究问题，建立计算模型，计算将温差发电技术应用于其中可以回收到的电能、冷却水流量、布片面積和单位发电成本，对温差发电系统回收烟气余热进行优化分析，为发电系统参数选择提供参考，并为发电系统的大型化提供依据。本文将从烟气经管道、温差发电片到冷却水的传热过程简化为一维稳态多层平壁传热问题.

在计算过程中做如下假设：①回收烟气余热时温差发电片总能保持对应温差下的最大发电功率；②烟气管道传出的热量都流经布在其上的温差发电片，忽略系统对外界的散热损失；③不考虑换热器的换热能力是否可使足够多的热量流过温差发电系统；④在计算收益时，仅考虑温差发电片的成本和冷却水的循环泵功，其他成本暂不考虑。根据能量守恒，可得

（4）

式中：Qh为烟气侧放热功率，kW；P为温差发电系统的发电功率，kW；Qc为流入冷却水中的热功率，kW.它们的计算式为

式中：M为给煤速率t/h； 根据式（3）进行计算，其中的 为对数平均温差； 分别为烟气进出口处温度下所对应的焓值，kJ/kg，通过对电厂所选用的煤进行煤质分析后计算得出。冷却水的流量可根据Qc和水的比热容计算：

（7）

式中：Cw为水的定压比热容，kJ/（kg·℃）； 和 分别为冷却水出口和入口温度，℃，其中 为定值；w为冷却水流量，kg/s。水泵所需的功率可由式（8）计算。

（8）

式中：g为重力加速度，m/s2；H为水泵扬程，m； 为水泵效率，%.另一方面，温差发电系统的发电功率还可以根据式（9）计算为

（9）

式中：Pcal为每片温差发电片的发电功率，W；根据实验回归结果计算，可得所需要的温差发电片的数量D。于是，可得所需温差发电片的面积为

3 注意事项

3.1汽机凝结水系统取水位置的选择

考虑到管壁温度对受热面结露腐蚀的影响，要保证进水侧管壁温度高于70℃。同时运行过程中注意调整低低温省煤器进水调节阀及旁路调节阀，保证入口水温。作为改造机组，要考虑机组正常运行的情况下各级低压加热器的进出口水温，如果温度较机组热平衡图偏差较大，考虑更换低压加热器，否则长期采用高品质凝结水参与调整，不能够保证机组经济运行。

3.2机组真空度的影响

由于加入低低温省煤器后，#1低加进水流量减少到原进水量的三分之一，进汽量保持不变（排挤部分的抽汽），#1低加疏水温度相应提高，#2低加进水温度升高后，疏水温度也相应升高，由于低加采用疏水逐级滞留，与轴加疏水并入排汽装置内部，对机组真空会造成部分影响，在已知的低低温省煤器改造项目，水冷机组改造完成后汽轮机组背压升高均在0.08kPa以内。

4 结语

在节能减排日趋严峻的形势下，各火力发电厂均在想尽办法降低能耗、降低排放、许多新兴的技术得以实践，加装烟气余热利用提效节能系统对降低排烟温度、对烟气余热的再利用有着非常大的市场前景，在实际生产中已经得到了大力推广。

参考文献

[1]樊泉桂，阎维平，闫顺林，等.锅炉原理[J].北京：中国电力出版社，2017.

[2]赵钦新，周屈兰，谭厚章，等.余热锅炉研究与设计北京[J].中国标准出版社，2016.

[3]陆万鹏.基于电站锅炉排烟余热的机炉烟气回热循环理论与应用研究[J].济南：山东大学能源与动力工程学院，2015.